§ 21. Фенолы

Определения и обозначения

Фенолы — органические вещества, в которых одна или несколько гидроксильных групп OH непосредственно связаны с атомами углерода бензольного кольца. Если OH присоединена к углероду боковой цепи, вещество относят к ароматическим спиртам, а не к фенолам. Это различие по строению важно: оно помогает правильно классифицировать вещества и предсказывать их свойства.

Фенол — простейший одноатомный фенол с формулой C₆H₅OH; его систематическое название — гидроксибензол, также используют название карболовая кислота. В молекуле одна группа OH непосредственно соединена с одним из атомов углерода бензольного кольца. Формулу удобно читать как бензольное кольцо C₆H₅ и присоединённую к нему группу OH, а не как спиртовую группу в боковой цепи.

Одноатомные и многоатомные фенолы различаются числом гидроксильных групп, непосредственно связанных с бензольным кольцом. У фенола C₆H₅OH одна такая группа, а у многоатомных фенолов их две или больше; примеры — бензол-1,2-диол и бензол-1,4-диол. Число OH-групп отражается в названии и влияет на состав возможных продуктов реакций.

Качественная реакция на фенол — взаимодействие с раствором хлорида железа(III), при котором появляется фиолетовое окрашивание. Качественной называют реакцию, по заметному признаку которой распознают вещество. Окраска позволяет обнаружить фенол в растворе, но для подтверждения вещества полезно учитывать и другие его свойства.

Как это устроено

При классификации соединения нужно посмотреть, к какому атому присоединена группа OH. В феноле она связана непосредственно с углеродом бензольного кольца, а в ароматическом спирте — с углеродом боковой цепи: например, в C₆H₅CH₂OH между кольцом и OH находится группа CH₂. Поэтому одинаковое наличие бензольного кольца и OH ещё не делает вещества одним классом. Именно положение группы определяет, считать соединение фенолом или спиртом.

Связь OH с бензольным кольцом влияет на кислотные свойства фенола. При отщеплении протона H⁺ остаётся фенолят-ион C₆H₅O⁻; его заряд распределяется с участием кольца, поэтому такой ион устойчивее, чем ион, возникающий при отщеплении протона от обычного спирта. Чем устойчивее частица после отдачи протона, тем легче проявляются кислотные свойства. Поэтому фенол кислотнее спиртов, хотя его кислотность не следует приравнивать к кислотности сильных минеральных кислот.

Фенол реагирует с активными металлами, например натрием, с выделением водорода: 2C₆H₅OH + 2Na → 2C₆H₅ONa + H₂. Соль C₆H₅ONa называется фенолятом натрия. В отличие от обычных спиртов, фенол также реагирует с водным раствором щёлочи: C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O. Эта реакция показывает, что фенол отдаёт протон основанию и потому проявляет кислотные свойства.

Группа OH повышает электронную плотность в бензольном кольце и активирует его, поэтому фенол вступает в реакции замещения легче бензола. При действии бромной воды происходит замещение сразу в положениях 2, 4 и 6: C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH↓ + 3HBr. Образуется малорастворимый 2,4,6-трибромфенол — белый осадок, а бромная вода обесцвечивается. Так проявляется влияние OH на реакции углеводородной части молекулы.

Промышленный фенол получают главным образом кумольным способом: из кумола в ходе последовательных превращений получают фенол и ацетон. Спрос на фенол связан с тем, что он служит сырьём для синтеза других органических веществ. Например, фенол используют при производстве фенолформальдегидных пластмасс, а также смол и других продуктов химической промышленности. Поэтому его свойства важны не только для лабораторных реакций, но и для получения материалов.

Сравнение фенола и этанола

Сравнивайте вещества сначала по положению OH, а затем — по реакциям, которые это строение объясняет. Особенно показательно взаимодействие с NaOH: оно отличает фенол от этанола. Таблица также помогает не смешивать качественную реакцию с FeCl₃ и бромирование.

Разбор задач

1. Фенол или ароматический спирт?

Условие. Определите, относится ли C₆H₅OH к фенолам, а C₆H₅CH₂OH — к ароматическим спиртам. Обоснуйте ответ по строению. Ход решения: нужно проследить, с каким атомом углерода соединена группа OH. Наличие бензольного кольца само по себе не решает вопрос классификации.

1. В C₆H₅OH группа OH присоединена непосредственно к углероду кольца.
2. Значит, C₆H₅OH относится к фенолам.
3. В C₆H₅CH₂OH группа OH соединена с углеродом CH₂ боковой цепи, поэтому это ароматический спирт.

Ответ: C₆H₅OH — фенол, C₆H₅CH₂OH — ароматический спирт. Различие определяется положением OH, а не только наличием кольца.

2. Реакции фенола с натрием и щёлочью

Условие. Составьте уравнения реакций фенола с натрием и гидроксидом натрия и назовите соли. Ход решения: при взаимодействии с металлом водород из группы OH выделяется в виде H₂, поэтому для уравнивания ставят коэффициент 2 перед фенолом. При реакции со щёлочью образуются соль и вода.

1. Записываем реакцию с натрием: 2C₆H₅OH + 2Na → 2C₆H₅ONa + H₂↑.
2. Формула соли C₆H₅ONa; её название — фенолят натрия.
3. Записываем реакцию с щёлочью: C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O.

Ответ: в обеих реакциях образуется фенолят натрия. В реакции с натрием выделяется водород, а с NaOH образуется вода.

3. Бромирование фенола и расчёт массы осадка

Условие. К раствору 9,4 г фенола добавили избыток бромной воды. Составьте уравнение реакции и найдите массу осадка 2,4,6-трибромфенола. Ход решения: избыток бромной воды означает, что фенол полностью прореагирует. По уравнению один моль фенола даёт один моль осадка.

1. Записываем уравнение: C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH↓ + 3HBr.
2. Вычисляем количество фенола: n = m/M = 9,4/94 = 0,10 моль.
3. По соотношению 1:1 получаем 0,10 моль трибромфенола. Его молярная масса: M(C₆H₃Br₃O) ≈ 331 г/моль.
4. Находим массу осадка: m = nM = 0,10 · 331 = 33,1 г.

Ответ: образуется 33,1 г 2,4,6-трибромфенола; наблюдаются обесцвечивание бромной воды и выпадение осадка.

Типичные ошибки

Ошибка 1 — считать фенолом любое ароматическое соединение с OH. Так думают, потому что и фенол, и ароматический спирт содержат кольцо и гидроксильную группу. Проверьте, связан ли OH непосредственно с кольцом: наличие CH₂ между ними означает спирт, например C₆H₅CH₂OH.

Ошибка 2 — считать фенол обычным спиртом и ожидать, что он не реагирует со щёлочью. Такое предположение основано на знакомых свойствах этанола, но строение фенола делает его более кислотным. Проверка проста: C₆H₅OH реагирует с NaOH с образованием C₆H₅ONa и воды, тогда как этанол в обычных условиях так не реагирует.

Ошибка 3 — записывать при бромировании замещение только одного атома водорода. Это происходит, если перенести на фенол схему реакции бензола, не учтя активирующее действие OH. Для бромной воды запишите три Br у кольца, проверьте положения 2, 4 и 6 и уравняйте уравнение: на один фенол расходуются три молекулы Br₂.

Ошибка 4 — путать признаки двух реакций распознавания. Обе реакции используют для обнаружения фенола, поэтому их наблюдения легко перепутать. Сверьте реагент и результат: FeCl₃ даёт фиолетовое окрашивание, а бромная вода обесцвечивается и образует осадок 2,4,6-трибромфенола.

Связь с другими темами

Для понимания фенолов нужно знать строение бензольного кольца, реакции замещения в бензоле и строение группы OH. Представление о кислотах и основаниях помогает объяснить образование фенолятов и сравнить фенолы со спиртами и карбоновыми кислотами. Знание реакций ароматического кольца позволяет понять бромирование фенола, а качественные реакции помогают распознавать органические вещества по наблюдаемым признакам.

Что запомнить

• В фенолах группа OH непосредственно связана с бензольным кольцом.
• Фенол C₆H₅OH — простейший представитель одноатомных фенолов.
• Фенол проявляет более выраженные кислотные свойства, чем спирты.
• Фенол реагирует с растворами щелочей с образованием фенолятов.
• При взаимодействии фенола с бромной водой образуется осадок 2,4,6-трибромфенола.
• Раствор хлорида железа(III) вызывает фиолетовое окрашивание раствора фенола.